第08章-无人机数据链路系统

第8章

无人机数据链路系统〖学习目标〗

掌握无人机数据链的构成及功能

了解无人机数据链中的关键技术

了解无人机数据链未来的发展趋势8.0内容框架图传输数据的过程

无人机数据链构成

主要性能发展方向功能构成硬件构成编码解码调制解调发射机与接收机关键技术抗干扰技术数据压缩和数据截断无线数传电台8.0无人机数据链简介无人机数据链是任务机、地面控制站之间，以及任务机与中继机、武器系统或其它操作平台之间，按照约定的通信协议和信息传输方式，进行指令交互、信息传递的无线通信链路，是保证无人机准确完成任务的重要途径。数据链通过在传感器、指挥控制中心、任务载荷之间建立实时、高效的信息交互网，以满足体系化作战信息交换需求。数据链作为无人机系统中的神经网络，在无人机系统内部以及无人机系统与其它作战系统之间，搭建了一个具有实时性、灵活性的侦察勘测、信息交互和协同作战的网络体系，实现了战场情报、指挥控制和装备协同信息的实时分发，支持无人机与指挥控制中心的互联互通，是将无人机系统融入网络化作战体系的重要手段，在整个作战系统中发挥着重要作用。8.1数据链的构成1．数据链的功能构成2．数据链的设备构成8.1.1数据链的功能构成从功能上无人机数据链主要包括：（1）上行链路：信息由地面站传递至飞行器，用于地面控制站对飞行器控制。目前上行链路在民用无人机中广泛使用的是无限电（即射频）遥控上行链。（2）下行链路：信息由飞行器传递至地面站。该链路可提供两个信息通道（可以合并为单一的数据流）：

一条状态信息通道（也称遥测通道）用于向地面站传递飞行器当前的空速、发动机转速以及载荷状态（如指向角）等信息。

第二条信息通道用于向地面控制站传递传感器数据。它需要足够的带宽以传递大量的传感器数据，一般要求其带宽范围为300kHz~10MHz。一般下行链路的传输速率要远远高于上行链路。（3）中继链路：当无人机超出无线电视距范围时，需要采用中继方式实现地面指挥与无人机群间的通信，构成中继链路。8.1.1数据链的功能构成按中继转发设备所处的不同位置可以分为地面中继以及空中中继方式。地面中继转发设备置于地面控制站与无人机之间的制高点上;空中中继转发设备置于某种合适的空中中继平台上，空中中继平台和任务无人机间采用定向天线，并通过数字引导或自跟踪方式确保天线波束彼此对准。相比较地面中继而言，空中中继成本要高些。按照中继转发设备的不同又可以分为飞机中继以及卫星中继。飞机中继方式采用飞机作为中继转发设备，由地面站、中继飞机、任务无人机群构成超视距通信网，其特点是移动速度快、机动性高、电波受空间限制少并且成本低，但考虑到无人机的抗打击能力不强，采用这种中继方式不是太可靠。卫星中继方式采用通信卫星(或数据中继卫星)作为转发设备，无人机上要安装一定尺寸的跟踪天线，机载天线采用数字引导指向卫星，采用自跟踪方式实现对卫星的跟踪相比较无人机中继方式而言，卫星中继的覆盖范围更广，并且卫星的信道性能较稳定，可用频带宽，通信容量大。8.1.2数据链的设备构成从设备上，数据链路设备包括数据链路的机载部分和地面部分。数据链路的机载部分包括机载数据终端（ADT）和天线。机载数据终端包括RF接收机、发射机（数传电台）以及连接接收机发射机和系统其他部分的调制解调器。有时候也包括数据处理器，用于压缩数据以符合下行链路的带宽限制。天线可能是全向的，也有可能需要增益且需要指向。数据链路的地面设备也称地面数据终端（GDT），该终端包括一副或者几副天线、一台射频接收机和发射机（数传电台）、调制解调器。若传感器数据在传送前经过压缩，则地面数据终端还需采取处理器对数据进行解压。地面数据终端可以分装成几部分，以军用无人机为例，包括：一辆天线车（可以放置在距无人机地面控制站一定距离处）、一条连接地面天线与地面控制站的数据链路，以及若干用于地面控制站的处理器和接口。8.2数据链路传输数据的过程1．编码解码2．调制解调3．发射机和接收机

8.2.1编码解码

为什么要进行编码？

为了便于使用，容易记忆，常常要对加工处理的对象进行编码，用一个编码符合代表一条信息或一串数据。对数据进行编码在计算机的管理中非常重要，可以方便地进行信息分类、校核、合计、检索等操作。

接下来简单介绍PCM和PPM技术。 PCM是英文pulse-codemodulation的缩写，中文的意思是：脉冲编码调制，又称脉码调制。PPM是英文pulsepositionmodulation的缩写，中文意思是：脉冲位置调制，又称脉位调制。有些航模爱好者误将PPM编码说成是FM，其实这是两个不同的概念。前者指的是信号脉冲的编码方式，后者指的是高频电路的调制方式。操作通过操纵发射机上的手柄，将电位器阻值的变化信息送入编码电路。编码电路将其转换成一组脉冲编码信号（PPM或PCM）。这组脉冲编码信号经过高频调制电路（AM或FM）调制后，再经高放电路发送出去。遥控设备中最常用的两种脉冲编码方式就是PPM和PCM。

8.2.1编码解码方式

最常用的两种高频调制方式是FM调频和AM调幅：最常见的组合为PPM/AM脉位调制编码/调幅、PPM/FM脉位调制编码/调频、PPM/FM脉冲调只编码/调频三种形式。“抖舵”的产生：通常的PPM接收解码电路都由通用的数字集成电路组成，如CD4013，CD4015等。对于这类电路来说，只要输入脉冲的上升沿达到一定的高度，都可以使其翻转。这样，一旦输入脉冲中含有干扰脉冲，就会造成输出混乱。由于干扰脉冲的数量和位置是随机的，因此在接收机输出端产生的效果就是“抖舵”。除此之外，因电位器接触不好而造成编码波形的畸变等原因，也会影响接收效果。对于窄小的干扰脉冲，一般的PPM电路可以采用滤波的方式消除；而对于较宽的干扰脉冲，滤波电路就无能为力了。这就是为什么普通的PPM比例遥控设备，在强干扰的环境下或超出控制范围时会产生误动作的原因。尤其是在有同频干扰的情况下，模型往往会完全失控。8.2.1编码解码

编解码的方式的区别：PPM的编解码方式一般是使用积分电路来实现的，而PCM编解码则是用模/数（A/D）和数/模（D/A）转换技术实现的。PCM编码：编码电路中模/数转换部分将电位器产生的模拟信息转换成一组数字脉冲信号。由于每个通道都由8个脉冲组成，再加上同步脉冲和校核脉冲，因此每个脉冲包含了数十个脉冲信号。在这里，每一个通道都是由8个信号脉冲组成。其脉冲个数永远不变，只是脉冲的宽度不同。宽脉冲代表“1”，窄脉冲代表“0”。这样每个通道的脉冲就可用8位二进制数据来表示，共有256种变化。解码：接收机解码电路中的单片机（单片计算机）收到这种数字编码信号后，再经过数/模转换，将数字信号还原成模拟信号。8.2.1编码解码

PCM优点：1.抗干扰性：如果在此种编码脉冲传送过程中产生了干扰脉冲，解码电路中的单片机就会自动将与“0”或“1”脉冲宽度不相同的干扰脉冲自动清除。如果干扰脉冲与“0”或“1”脉冲的宽度相似或干脆将“0”脉冲干扰加宽成“1”脉冲，解码电路的单片机也可以通过计数功能或检验校核码的方式，将其滤除或不予输出。2.可以很方便的利用计算机编程，不增加或少增加成本，实现各种智能化设计：将来的比例遥控设备完成可以采用个性化设计，在编解码电路中加上地址码，实现真正意义上的一对一控制。另外，如果在发射机上加装开关，通过计算机编程，将每个通道的256种变化分别发送出来；接收机接收后，再经计算机解码后变成256路开关输出。这样，一路PCM编码信号就可变成256路开关信号。PPM与PCM相比较：PCM编码具有更大的优越性。虽然以往将这两种编码方式都说成是数子比例遥控设备，但从严格意义上说，只有PCM编码才称得上真正的数字比例遥控。值得指出的是：各个厂家生产的不同型号的PCM比例遥控设备，其编码方式都不相同。因此，同样是PCM设备，只要是不同厂家生产的，即使是相同频率，也不会产生互相干扰，而只会影响控制距离。8.2.2调制解调调制：调制就是用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在其上形成已调信号传输。调制方式按照调制信号的性质分为：1.模拟调制2.数字调制模拟调制可分为:1.调幅(AM)，使载波的幅度随着调制信号的大小变化而变化的调制方式;2.调频(FM)，使载波的瞬时频率随着调制信号的大小而变，而幅度保持不变的调制方式;3.调相(PM)，利用原始信号控制载波信号的相位。数字信号由于数字信号的状态有限,因而可以采用键控载波的方法来实现:1.幅移键控（ASK,把二进制符号0和1分别用不同的幅度来表示）2.频移键控（FSK,用不同的频率来表示不同的符号,如2KHz表示0，3KHz表示1）3.相移键控（PSK通过二进制符号0和1来判断信号前后相位,如1时用π相位，0时用0相位）8.2.2调制解调调制的两种方式：1.直接序列扩频二进制相移键控(DS-BPSK)2.连续相位频移键控(2CPFSK)

Notice：其中为了提高遥控信号的抗干扰能力，上行链路可以采用DS-BPSK调制方式，下行链路则采用2CPFSK调制方式。DS—BPSK：在无人机上行链路中采用DS-BPSK调制方式的模型如图所示。Gold码发生器模块、模2加法器及编码模块主要完成扩频功能，使用芯片AD9854的BPSK的调制功能对扩频、编码后的数据进行BPSK调制。为了提高DS-BPSK调制器系统的抗侦破能力和载波抑制度，伪码可选用平衡Gold码，它具有良好的自相关与互相关特性。将调制后的信号经三阶高斯带通滤波器输出，再将输出的信号经功率放大器后得到理想的遥控信息传输至无人机上。8.2.2调制解调2CPFSK：无人机下行链路中可以采用2CPFSK调制方式，该调制方式抗噪声性能以及抗衰落性能均较好，具有较好的频带功率利用率，抗辐射能力强且容易实现，可以满足高速率信号的传输要求。2CPFSK调制原理框图如图8-12所示。由差分接收器提供参考时钟给芯片AD9854，该芯片接收数字基带信号。通过外部指令控制单片机，设置AD9854调制模式、调整输出信号的频偏和频率，产生一定功率的2CPFSK调制信号，经组合滤波电路滤波后，由功率放大器放大输出给外部电路。8.2.2调制解调解调

：解调是调制的反过程，通过具体的方法从已调信号的参量变化中将恢复原始的基带信号。在这里主要讲了相干解调和非相干解调两种：相干解调也叫同步检波，它适用于所有线性调制信号的解调。实现相干解调的关键是接收端要恢复出一个与调制载波严格同步的相干载波。相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干(同频同相)的参考信号与载频相乘。非相干解调，即不需提取载波信息(或不需恢复出相干载波)的一种解调方法。非相干解调是解调方法的一种，是相对相干解调而言的。非相干解调是通信原理中的一种重要的解调方法，无论在模拟系统和数字系统中都非常重要。非相干解调的优点是可以较少的考虑信道估计甚至略去，处理复杂度降低，实现较为简单，但相比相干解调方法性能下降。8.2.3发射机和接收机发射机：就是可以将信号按一定频率发射出去的装置。接收机：就是指接收到发射装置所发射的装置。发射机和接收机的两种工作模式为：频分复用（FDM）：就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道），每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。时分复用（TDM）：采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号，也能达到多路传输的目的。时分多路复用以时间作为信号分割的参量，故必须使各路信号在时间轴上互不重叠。时分多路复用适用于数字信号的传输。由于信道的位传输率超过每一路信号的数据传输率,因此可将信道按时间分成若干片段轮换地给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号单独占用,在规定的时间内,多个数字信号都可按要求传输到达,从而也实现了一条物理信道上传输多个数字信号。8.3主要性能1.无人机数据链路最起码的要求是必须足够稳定，保证用户在任何地方进行测试训练时正常工作，或者在不存在蓄意干扰的情况下正常工作。这要求数据链路能够在所有上述地点使用当地可分配的频点工作。2.同时还能抵御可能存在的外来射频发射机的无意干扰。在军事领域，无人机数据链路有以下与相互干扰和电子战有关的理想特征：（1）全球可用的频率分配：在用户感兴趣的所有地方，数据链路都能在当地可用的测试和训练操作频点正常工作。（2）抗无意干扰：尽管有时会有来自其他射频系统的间歇性带内信号干扰，数据链路仍能正常工作。（3）低截获频率：当处在敌方测向系统的覆盖范围和有效距离内，数据链难以被截获和测得方位。（4）安全性：由于信号加密，即使被截获，也无法破译。（5）抗欺骗：在地方意图向飞行器发送指令或向地面数据终端发送欺骗信号时，数据链路能进行抵制。（6）抗反辐射武器：难以被ARM锁定，即使被锁定，也能使对地面站的伤害降到最低。（7）抗干扰：即使遇到外界对上行链路或者下行链路的干扰，也能正常工作。8.4无人机数据链系统关键技术

1．抗干扰技术2．数据压缩和数据截断3．无线数传电台

8.4.1抗干扰技术

无人机数据链路的抗干扰能力可由数据链余量来衡量。数据链余量越大，抗干扰能力越强。数据链余量有三种可能的来源：（1）发射机功率：发射机功率是增加信号余量的一种直接方式，对于大多数缓和环境来说，用此方法有效。但是在存在严重干扰或蓄意干扰的情况下，该方法抗干扰的效果最差。（2）天线增益：通常使用三种天线：抛物面反射器或蝶形天线、八木天线阵及透镜天线。地面较常使用前两种，第三种（透镜天线）是仅有的几种可适用于飞行器的定向天线之一。（3）处理增益：信号相对于干扰的增强，这种增强是迫使干扰功率在一个比数据链路通信信号带宽更大的带宽上扩展的结果。处理增益的实现方式是：在传输开始前，以某种能增加带宽的方式对数据链路待传送信息进行编码，然后，在接收端解码来恢复原始带宽。8.4.1抗干扰技术

处理增益的两种形式

：1.直接扩频传输（也称直接序列扩频技术）：直接扩频传输是对原信号加伪噪声调制以增大传输信号带宽，并降低单位频率间隔内的功率。干扰机必须干扰整个扩展传输带宽。数据链路接收机了解发射端添加的伪噪声调制形式，并能去除接收信号中的伪噪声，使其能在原带宽内恢复原始信号。这样接收机便能去除原始信号带宽以外的所有扰能量。直接扩频传输的优点是，因为传输信号看起来很像噪声，其难以被截获和测向。缺点是较宽的信号所用的调制速率非常大，而且整个射频系统必须能容纳最终带宽。2.跳频传输：对此情况而言，任何瞬时传输的信号都是正常未扩展信号。但是在伪随机序列跳变中，传输载波频率会一直变化。若干扰机不了解跳频模式，不能实时跟踪跳频模式，则它必须干扰整个传输跳频频带。接收机了解跳频模式并能自动改变频率，从而总能在正确的载波频率上设定匹配带宽来接收信号。结果与直接扩频传输相同：干扰功率必须能够扩展至一个宽带宽，且接收机能够抑制传输信号带宽之外的所有干扰能量。8.4.2数据压缩和数据截断为什么？？？下行链路，它可能需要很大的带宽来传输大量未处理的数据，无人机尺寸、重量和成本的限制是的数据链路很难具备传输如此高速率原始数据的能力。这就要求必须对传感器得到的原始数据进行处理，使数据传输率降低至一定水平来适应数据链路性能。降低数据传输率的两种方式：1.数据压缩：将数据变换为效率更高的形式，变换后保留数据原有的全部（或者几乎全部）信息，并能在地方上重建，按需恢复原始数据2.数据截断：为了降低数据传输率而丢弃部分数据，在此过程中存在数据丢失。但是若能合理低进行数据截断，则能够做到丢失的信息恰好是执行任务所不需要的信息，可以使得信息截断对执行任务的能效几乎无影响。8.4.3无线数传电台简介：电台（broadcastingstation）是无线电台的通称，是指为开展无线电通信业务或射电天文业务所必需的一个或多个发信机或收信机，或它们的组合（包括附属设备）。由发射机、接收机、天线、电源及附件组成。无线数传电台大致分为两种：1.传统的模拟电台：一般是射频部分后面加调制解调器转换为数字信号方式来传输数据，全部调制、解调、滤波和纠错由模拟量处理完成，如果需要进行数据的任何其它处理，那么附加的部件、专用的芯片、或微处理机必须加到设计中。因为收发机相当多的功能是在硬件中完成，任何校准或无线电的调整必须在硬件级上进行。2.采用DSP技术的数字电台：开发出的专用处理芯片器，它能实时或“在线”进行数字信号处理（DSP技术），无线电台部分甚至全部采用数字处理技术。数字电台的数据信号处理允许很复杂的算法在实时中使用并可被嵌入产品内，DSP相关的芯片是软件控制的，在不改变硬件的情况下，可在系统内改变它们的性能和/或任务。这意味着在产品售出后的升级或另增加的特性可加到产品上，不必把电台返回到制造厂，从某种意义上来讲，数字电台控制精度更高，没有与模拟量元件有关的误差问题，功耗更低，实时性稳定性更高，市场中占据大部分中高端用户。8.5无人机数据链系统发展方向

信息化作战要求无人机能够在更加广阔的空域内作战，能够实时高速可靠的传送大量的情报信息，并有能力进行信息的处理及向更广范围的快速分发，这极大地驱动了无人机数据链技术的发展，该领域的诸多前沿技术也不断涌现出来。以美国、以色列为代表的国家在无人机数据链技术上占据着领先主导地位，在无人机中继传输方面，它们已实现了卫星中继和空中中继。以色列IAI/ELTA公司的EL/K-1850数据链，经无人机空中中继作用距离从200km扩展到370km。在视频图像编码技术方面，美国早在20世纪90年代就已开始运用数字图像传输技术，将视频图像编码后美国的图像/遥测复合数据速率可减少至1．544MB/s，以色列的对应为2.2MB/s。8.5无人机数据链系统发展方向

未来无人机数据链技术需着重突破以下前沿技术：（1）研发激光通信传输系统激光通信可以满足大数据量实时远程传送的需要，潜在提高了无人机数据链路的带宽和作用距离。激光通信技术前景广阔，可行性也很高。据预测，采用激光通信传输速率比最先进的射频数据链还要高2~3个量级，国外相关技术每秒可传输上万兆比特的数据，使用小功率半导体激光系统的小口径(7cm～13cm)机载激光通信系统被探测到的概率极低，仅相当于射频系统的30%～50%，同时功耗也低。但目前这项技术还有诸多瓶颈，需加快技术攻坚。8.5无人机数据链系统发展方向

（2）发展“一站多机”数据链目前，无人机系统多数还是一个指挥控制站控制一架飞机，伴随着战争空间的日益扩大以及现代化战争的高要求，对于“一站多机”技术的要求日渐迫切。一站多机数据链是指一个测控站与多架无人机之间的数据链。英国普莱塞公司在20世纪80年代曾研制出多无人机控制系统，该系统能同时对4架无人机进行跟踪定位、遥测、遥控和信息传输。一站多机技术基本原理如图所示，其中测控终端用于完成指令加密，遥